雨水利用与水量平衡分析在城市园区水景设计中的.pdf

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1、中国园林 雨水利用与水量平衡分析在城市园区水景设计中的应用 T h eA p p l i c a t i o no fR a i n w a t e rU t i l i z a t i o na n dWa t e rB a l a n c eA n a l y s i si nD e s i g no fWa t e r s c a p ef o rU r b a n G a r d e n sa n dR e s i d e n t i a l S u b d i v i s i o n s 车 伍程文静李海燕 C H EWu , C H E N GWe n - j i n g , L

2、I H a i - y a n 1引 言 城市园区中的水景一直颇受青睐, 众多开发商推出了各式各 样的水景项目。但一些水景项目在设计中过于注重景观效果, 而 忽视了节水与水量保障问题, 导致水景建成后因水源难以保障或 用水费用过高而不能长期运行, 一些水景形同虚设、 名不符实, 甚 至成为园区的设计败笔; 一些能长期运行的水景观也因定期的补 换水而使运行成本过高 1 。 另一方面, 水资源的短缺已引起人们的普遍关注, 一些城市 对水景中使用自来水制定出限制政策,水景观面临水源保障问 题; 即使可以使用自来水, 由于水价的持续上涨也使物业管理压 力增大, 业主难以承受。而根据现有研究和应用成果,

3、 利用雨水资 源建设水景项目在技术上可行, 通过方案的合理设计和采用适用 技术, 可以实现投资和运行的经济合理性 2 5 。 在建设“ 节水型” 社会的研究探讨中, 科学的用水规划或调配 方法也具有重要意义。水量平衡分析方法已常用于河流水域上的 水量调度、 工业部门的循环用水等项目中 6 、7 , 但在小型的水景建 设项目中应用并不多。 收集雨水作为景观用水是一种可持续发展的设计方案, 但各 地区的雨水资源及年季分配不均, 以雨水作为主要水源的水景规 模与园区的雨水收集利用方案需要科学的分析。利用水量平衡分 析可以统筹考虑水景设计与雨水收集的各相关要素, 模拟、 量化 水景运行状况与雨水收集量

4、的关系,指导水景方案的规划设计, 寻求合理的规模、 高效的水资源利用率, 降低水景项目的建设投 资与运行费用, 实现经济美观的园区水景观。 2相关的水景设计参数与规划方案 造成水景观投资大、 运行成本高的问题与水景的设计参数及 其规划方案有直接关系。这里所指的水景设计参数包括水景面 积、 水体结构(渗漏、 自净能力)、 水深及调蓄水深(常水位与溢流水 位之差)等, 水景规划方案包括水景的规模与布局、 水景类型、 水生 态系统、 雨水汇集方案、 用水与补水方案、 水质保障等。 2 . 1水面面积 水体面积不仅关系到土地的利用和水景建设投资的大小, 对 于日后的运行费用也有很大影响。有的项目过于追

5、求大水面的景 摘要:城市园区水景的水量保障问题对于水景观的建设与运行至关重要, 收集雨水资源作为景观用水技术可行、 运行经济、 符合当前的节水形势。在 水景观的设计过程中应用水量平衡分析可以将雨水利用与水景建设统筹考虑, 指导水景方案的规划设计, 寻求合理的水景规模、 高效的水资源利用率, 降 低水景项目的建设投资与运行费用。将雨水利用和水量平衡分析运用于水景设计中, 有利于实现在水资源日益紧缺的形势下水景建设的正常发展。 关 键 词:风景园林;水景观;研究;设计参数;雨水利用;水量平衡分析 文章编号:1 0 0 0 - 6 6 6 4 ( 2 0 0 6 ) 1 2 - 0 0 6 2 -

6、0 4 中图分类号:T U 9 8 6文献标识码:A 收稿日期:2 0 0 6 - 0 7 - 3 1; 修回日期:2 0 0 6 - 1 1 - 1 4 基金项目:北京市“ 学术创新团队” 项目可持续水与废物循环利用技术(编号B J E 1 0 0 1 6 2 0 0 6 1 1 ) A b s t r a c t : T h ew a t e rs u p p l yi sv e r yi mp o r t a n t t ot h ec o n s t r u c t i o na n dt h er u n n i n go f w a t e r s c a p ei nu r b

7、a ng a r d e n so rr e s i d e n t i a l s u b d i v i s i o n s . I t sa n e c o n o mi c a l a n da p p r o p r i a t ei d e aa n dme t h o dt ob u i l dw a t e r s c a p eb yma k i n gu s eo f r a i n w a t e r . R a i n w a t e rh a r v e s t i n ga n dw a t e rb a l a n c ea n a l y s i s i nd

8、e s i g no faw a t e r s c a p ei sv e r yu s e f u lf o rp l a nd e c i s i o n - ma k i n g ,s u i t a b l es c a l e ,h i g h - e f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c ea n ds a v i n go ft h e c a p i t a l c o s t a n do p e r a t i o nc o s t . R a i n w a t e rh a r v

9、e s t i n ga n dw a t e rb a l a n c ea n a l y s i si se s p e c i a l l ys i g n i f i c a n t f o rt h ed e v e l o p me n t o f w a t e r s c a p ei nt h e c a s eo f w a t e rr e s o u r c ec r i s i s . K e yw o r d s : L a n d s c a p eA r c h i t e c t u r e ; Wa t e r s c a p e ; S t u d y

10、; D e s i g nP a r a me t e r s ; R a i n w a t e rU t i l i z a t i o n ; Wa t e rB a l a n c eA n a l y s i s L AE n g in e e r in g 园林工程 6 2 中国园林 观效果, 但水面面积越大, 水体的蒸发损失量越大, 渗漏损失等也 会增大, 而且水体的庞大也使水质保障难度和成本加大, 不论是 水的循环、 处理还是水体清理或换水, 运行费用和工作负荷都很 高。因此, 水景设计需要慎重考虑水面大小。 2 . 2水体结构 水体结构的设计主要考虑是否将水体建为硬化或自然生

11、态 化水体、 是否采取防渗措施。防渗措施又有硬铺装、 防渗膜和黏土 防渗等之分, 防渗可减少水量损失, 但不利于水质保障和生态系 统构建, 尤其是硬铺装, 施工费用较大。水体结构及是否有防渗需 要根据水景设计方案、 当地条件而定, 如园区总体规划和水景规 模、 水质保障、 地下水水位及该地的土壤特性等。水体结构的确定 也可以依据水量平衡计算及技术经济分析决定。 2 . 3水位设计与调蓄 考虑到水生植物的生长、 水温及水质保障等问题, 建议规模较 大的水体平均水深不低于1 m, 并保持深浅变化和安全措施。设计 浅水位的水体, 应加强水质保障措施。常水位和溢流水位的设计应 考虑园区的竖向设计和雨水

12、收集调蓄, 水体溢流水位与常水位之间 的容积即为该水体的设计调蓄容积。溢流水位可首先根据现场条 件(如水景用地的地理条件、 园区外市政管道及水体高程)、 园区防洪 设计标准等众多因素确定, 在水量平衡计算分析中加以调整。 2 . 4雨水汇集及污染控制方案 雨水作为水景补水水源,汇流一定量的雨水进入水体是降低 水体用水成本的有效措施。不仅需要作好雨水的汇流规划方案, 还 要设计有效的雨水径流污染控制方案, 科学合理地利用好雨水。 2 . 5用水与补水方案 水体中蓄积的雨水除了弥补蒸发渗漏损失外, 还可以回用于 园区的绿化灌溉及道路喷洒等, 其取用水量根据项目所在地的用 水定额和水量平衡分析作出估

13、算。 水体补水方案的规划主要是考虑当地可用的补水水源及可 使用量。补水水源一般包括地下水、 地表水、 雨水、 再生水以及自 来水。在客观条件允许的情况下使用地下水作为补水水源的优点 是水质较好、 取用便捷廉价, 但可能受当地政策限制。若园区周围 有较丰富的地表水资源, 如河流或湖泊, 经有关部门许可后可以 直接取用地表水补水, 取水成本也较低, 但多数城市的地表水质 可能较差, 需要进行处理。对建有中水系统或有市政再生水可供 使用的园区, 可取用再生水作为补水水源, 能较好保证水量, 但缺 点是水中氮磷指标较高, 容易造成景观水体的水质恶化。自来水 补水的缺点是造价高, 不符合当前的节水要求,

14、 甚至可能被禁止 使用, 如自2 0 0 5年5月1日起实施的 北京市节约用水办法 中 规定, 住宅小区环境用水应当使用雨水或者再生水, 不得使用自 来水, 而且对自备井的控制也越来越严格。 3水量平衡分析 3 . 1水量平衡分析的原理 在水景规划方案及其各设计参数初步设定之后进行水量平 衡分析。水量平衡分析是在满足水景正常运行的条件下, 如保持 设计常水位, 计算一段时间内, 水体的输入水量、 输出水量及其差 值,根据差值可确定水体在现行规划设计下的水量盈亏状况, 是 否满足水景需要, 是否需要外排水或补水及补水成本等。水量平 衡分析的基本公式如下: 输入量-输出量=水量差( 1 ) 其中:

15、输入量=汇集雨水量+补水量 输出量=蒸发量+用水量+损失量 水量差为正值时,水量在水体内蓄积,达到溢流水位为 止;为负值时, 水体水量亏损, 水位下降至低于常水位。 3 . 2水景水量平衡分析流程 将水量平衡分析应用到园区水景设计中, 可按(图1 )流程进行。 3 . 3水量平衡分析具体操作 3 . 3 . 1资料的收集与分析 ( 1 )园区基础资料 园区基础资料包括总建筑面积、 用地规划、 土质条件(土壤类 型、 土质渗透速率等)等。根据园区的总建筑面积及用地规划可以 计算出该园区的综合径流系数(表1 ): 表1园区汇水区域用地及径流系数计算表 注: 用地性质分类及其径流系数建议值参考 建筑

16、与小区雨水利用工程技术规 范(征求意见稿)拟定。 汇水区域地面性质 硬屋面、没铺石子的平屋 面、 沥青屋面 铺石子的平屋面 绿化屋面(精细型) 绿化屋面(粗放型) 混凝土和沥青路面 块石等铺砌路面 干砌砖、 石及碎石路面 非铺砌的土路面 绿地 地下室覆土绿地( 5 0 c m) 水面 总计 面积A ( m2) A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A1 0 A1 1 A 比例 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B1 0 B1 1 1 径流系数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 建议值 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 6 0 .

17、8 0 . 5 0 . 4 0 . 3 0 . 1 5 0 . 1 5 1 图1水量平衡分析流程图 6 3 中国园林 表2降雨量与蒸发量数据统计 月份 多年平均降雨量( mm) 多年平均蒸发量( mm) 丰水年降雨量( mm) 平水年降雨量( mm) 枯水年降雨量( mm) 11 11 22总计 表3水量平衡计算表 注: 外排水量以溢流水位计算, 额外补水量以满足常水位要求为准。 项目 单位 编号 1月 2月 1 1月 1 2月 合计 汇流雨水量 m3/月 【1】 补水量 m3/月 【2】 蒸发量 m3/月 【3】 用水量 m3/月 【4】 渗漏量 m3/月 【5】 水量差 m3/月 【6】

18、水体水深 m 【7】 剩余调蓄高度 m 【8】 外排水量 m3/月 【9】 额外补水量 m3/月 【1 0】 园区的综合径流系数依据下式计算: =1B1+ 2B2+ 1 1B1 1( 2 ) 其中:Bi不同性质用地占总汇水面积的比例; i不同性质用地的径流系数。 ( 2 )园区所在地多年气象统计资料的收集与分析 气象统计资料包括多年(至少1 0年以上)的月平均降雨量、 月 平均蒸发量、 当地的暴雨强度公式、 一定设计重现期( P = 1、5、1 0、 2 0)下的最大2 4小时降雨量等。 对月降雨量的分析统计方法有多种,可按不同要求进行选 择。初步水量平衡分析可采用多年月平均降雨量, 特殊年份

19、分析 可按丰水年、 平水年、 枯水年统计各月份的降雨量进行分析。对蒸 发量的分析一般取多年平均值(表2 )。 3 . 3 . 2确定园区的规划方案 根据园区规划资料, 确定水景的水面面积、 调蓄高度、 补水方 案及水量、 用水方案及水量、 水体渗漏情况等。 3 . 3 . 3水量平衡计算 水量平衡可按月份进行计算(表3 )。 根据当地气象资料和用地规划、 径流系数等可计算出该月内 汇流雨水量和蒸发量; 补水量指较为固定的水源(如再生水)每月 进入水景的水量,该值可能为0;回用水可用于绿化或喷洒道路 等, 依据各地用水定额而定; 渗漏量为水体的渗漏损失, 可依据实 际条件计算, 也可按定值估算。

20、 确定完以上水量后, 可以填写(表3 ) 中【1】【5】 项的内容。 根据上述几项数值, 由水量平衡计算公式( 1 )可得水量差; 根 据水量差可计算出水体水深、 水体剩余调蓄高度, 以及为保障安 全和水景运行而必须的外排雨水量或增加的补水量。由此可填写 (表3 )全部内容。 3 . 3 . 4水量平衡分析 根据(表3 )可以得出在确定的规划方案下的每月水量差、 年水 量差、 外排水量、 水位变化等参数。依据计算结果并结合景观布 置、 地面高程、 场地要求等因素分析初步方案的合理性。 规划方案的合理性也即水量平衡结果检验标准, 可以从以下 几个方面考虑: ( 1 )外排水量的大小, 与【1】【

21、4】 项数值相比较; ( 2 )额外补水量的大小, 与【1】【4】 项数值相比较; ( 3 )剩余调蓄高度的大小, 验算园区的防洪排涝标准。 参考( 1 )、( 2 )项的比较结果可知雨水收集量与水景设计参数的 相宜程度, 如外排水量与汇流雨水量(【1】 项)的比值越大, 说明雨 水收集利用率越低; 外排雨水量与补水量(【2】 项)的差值为正, 说 明依赖收集的雨水量足以弥补该月份内的水量损失, 可考虑该月 不补水等。由( 3 )可知水体的蓄洪能力, 如将水景作为园区的蓄洪 设施, 则水景的雨水利用与园区的防洪安全应统一考虑。根据以 上分析结果的满意程度可确定水景方案的合理性。 3 . 4分析

22、成果与方案调整 根据水量平衡分析结果, 可明确不同雨水利用方案与水景规 划方案下水景的运行状况、 节水效果、 蓄洪能力等指标, 可估算不 同方案下的投资和运行成本。判断初步规划方案的合理性, 确定 是否对初步规划方案进行必要的调整。如需调整, 则需要将新的 规划方案重新进行水量平衡分析; 如不需调整, 则可确定规划方 案, 进行下一步工作。在水景规划方案不是惟一的情况下, 也可以 用水量平衡分析结果进行比较。水景方案的确定除了水量外还需 要考虑其他许多因素,水量平衡分析结果可作为决策依据之一, 避免目前常见的水景设计的盲目性和后遗问题。 此外, 以上主要介绍的是根据多年月平均降雨量和蒸发量按

23、月进行的水量平衡分析方法, 也可按其他时间段和不同的降雨资 料进行计算分析, 如蓄洪排涝就需要用不同重现期的暴雨强度或 2 4小时最大降雨量数据验算; 由于降雨的随机性, 水景的运行也 需要根据实际的降雨条件进行调整。 4应用实例 天津某住宅小区规划总建设面积3 0 9 h m2, 水系面积5 3 h m2, 6 4 中国园林 作者简介: 车伍/1 9 5 5年生/男/山东人/硕士/教授/北京建筑工程 学院环境与能源工程学院/研究方向为水环境保护与生态修复、 城市雨洪控制利用、 排水工程与污水处理等(北京1 0 0 0 4 4 ) 程文静/1 9 8 2年生/女/山东人/北京建筑工程学院环境与

24、能 源工程学院在读硕士研究生/研究方向为城市与住宅区水环境规 划与优化设计、 水污染控制、 城市雨洪控制利用(北京1 0 0 0 4 4 ) 李海燕/ 1 9 7 5年生/女/河北人/博士/副教授/北京建筑 工程学院环境与能源工程学院/研究方向为水环境保护与生 态修复、 水污染控制、 城市雨洪控制利用等(北京1 0 0 0 4 4 ) 图2某小区人工湖水位变化分析图 表4项目用地情况及径流系数计算表 汇水区域地面性质 硬屋面, 路面 绿地 其他绿化 水面 总计 面积A ( m2) 1 7 1 5 7 0 0 4 0 2 1 0 0 4 3 9 9 0 0 5 3 5 9 9 3 3 0 9 3

25、 6 9 3 比例( %) 5 5 . 4 5 8 1 2 . 9 9 7 1 4 . 2 1 9 1 7 . 3 2 5 1 0 0 . 0 0 0 径流系数 0 . 8 0 . 1 5 0 . 1 5 1 0 . 6 5 8 表5某小区人工湖年运行水量情况单位:m3 平水年 枯水年 丰水年 损失量 1 0 0 2 6 0 1 额外补水量 2 1 5 5 3 5 3 0 7 6 9 8 0 雨水收集量 7 8 70 6 6 4 2 69 0 6 14 9 66 4 4 雨水外排量 0 0 2 9 20 4 2 雨水利用率 1 0 0 % 1 0 0 % 8 0 % 分三期建设。项目总体的综合

26、用地情况及径流系数见(表4 )。 经过初步规划设计确定人工湖底标高0 . 5 0 0 m,人工湖常水 位2 . 0 0 0 m, 溢流水位2 . 4 5 0 m。该小区雨水全部进入人工湖, 不考 虑平时补水和从湖中取水。根据北方地区气候条件, 以3月初一 次性补水至常水位为初始条件。根据该地区的气象资料对小区水 景进行水量平衡分析, 为了更全面掌握水体的运行状况, 按照当 地平水年、 丰水年、 枯水年降雨统计资料进行具体计算。 在现有规划方案下计算分析结果, 每月末的水位变化如(图2 ) 所示。 由(图2 )可知: 在平水年份, 可不补水且不需外排水, 只需要在 每年3月初一次性补水2 1 5

27、5 3 5 m3至常水位2 . 0 0 0 m;年收集雨 水7 8 7 0 6 6 m3, 雨水利用率1 0 0 %。 在枯水年份, 根据水深考虑, 如保证水位最低为1 . 5 0 0 m(即水 深1 . 0 0 0 m), 需补水3 0 76 9 8 m3; 最高水位2 . 0 0 0 m, 收集雨水 4 2 6 9 0 6 m3, 不发生外排雨水, 雨水利用率1 0 0 %。 在丰水年份, 水位超过2 . 4 5 0 m时发生溢流, 年收集雨水 14 9 66 4 4 m3, 外排雨水约2 9 20 4 2 m3, 雨水利用率为8 0 %; 最低 水位1 . 8 3 3 m, 可不补水(表

28、5 )。 根据分析结果可知, 因小区汇水面积和人工湖调蓄能力较大, 每年可收集利用大量雨水资源, 弥补水体的大部分水量损失, 大量 节约其他水资源的消耗。除枯水年份外, 依靠雨水基本能够维持水 景正常运行, 如想减少枯水年份的额外补水量, 可以考虑适当减小 水体面积, 对规划设计作适当调整, 再重新进行水量平衡分析。 5结 论 水量平衡分析是用科学的理论分析指导实践中的水景设计 和用水规划, 利用水量平衡分析可清晰地模拟雨水利用效果和水 景建成后的运行状况, 指导水景方案的合理设计, 对节约用水、 提 高雨水资源利用率、 降低投资和运行成本等具有重要意义。该分 析方法也可用于已建成的水景, 通

29、过水量平衡分析了解水景整体 的运行状况, 有利于调整水景的运行管理或进一步的改建。(表3 ) 所示的水量平衡分析表是以一年为周期按月分析, 可以此为基础 修改分析时间段, 对水景作更细化或更宏观的分析。 雨水利用符合当前建设节约型社会的要求, 是解决当前水景 面临的水资源短缺问题的一种经济、 实用的方法, 应该成为今后 水景建设的发展方向。水景项目在满足园林设计要求的同时, 也 应该对水量和水质保障问题给予足够的重视, 科学、 合理地充分 利用雨水资源, 使水景不再是城市园区的奢侈品, 实现绿色生态 园区可持续发展的目标。 参考文献: 1 车伍, 等.城市住宅小区水景观建设问题分析 A .中国

30、建设部科学技 术司 智能与绿色建筑文集2 编委会.智能与绿色建筑文集2 (国际会议文 集) C .北京: 中国建筑工业出版社,2 0 0 6 . 2 车伍, 李俊奇.生态住宅小区雨水利用与水景观系统案例分析 J . 城市环境与城市生态,2 0 0 2 ( 5 ):3 4 - 3 6 . 3 车伍, 等.城市小区应用雨洪多功能调蓄设施的案例分析 A .中国建 设部科学技术司 智能与绿色建筑文集2 编委会.智能与绿色建筑文集2 (国际会议文集) C .北京: 中国建筑工业出版社,2 0 0 6 . 4 车伍, 等.城市住区水资源综合利用及水环境改善案例分析 A . 水与 发展(水与发展国际研讨会文集) C .北京: 地质出版社,2 0 0 4 . 5 李俊奇, 等.小区雨水利用工程费用模型与优化设计 J .给水排水,2 0 0 5 ( 3 1 ):1 4 - 1 8 . 6 井涌.水量平衡原理在分析计算流域耗水量中的应用 J .西北水资源 与水工程,2 0 0 3 ( 2 ):3 0 - 3 2 . 7 刘苏峡, 等.基于水量平衡的流域生态耗水量计算以海河为例 J . 自然资源学报,2 0 0 4 ( 5 ):6 6 2 - 6 7 1 . 6 5